1、引言

传统的普通钻床钻孔的精度和效率受到工人的熟练程度、疲劳程度等人力因素影响较大，要想达到高精度和高效率就十分不容易。基于此问题，我们开发了数控钻床，它可以按照输入的进刀曲线连续工作，始终保持高精度和高效率。

2、控制要求

数控钻床的控制要求为:（1）控制系统应可调整钻孔加工程序选择;（2）不同的加工阶段可以选择不同的加工速度和加工深度。空程的时候的进刀曲线如图1所示，加工的进刀曲线如图2所示:（3）主轴转速应可调节，且范围应宽广。（4）加工精度高，加工深度误差小于0.05mm。

图1 空程时候的进刀曲线图

图2 加工的进刀曲线图

3、系统的硬件设计

根据系统的控制要求配置硬件如下：

•控制器:1个西门子公司的s7-200系列cpu222plc; •人机界面:一个dp210; •外设:2个步进电机、2个步进电机驱动器、2个三相电机、1台变频器、1个em222、8个电磁开关、4个光电传感器和1个霍尔传感器。系统的硬件结构如图3所示。

图3 系统的硬件结构图

表1 输入端子分配

表2 输出端子分配

3.1 系统的i/o点分配

由硬件结构图可知，系统需要5个输入点和14个输出点。cpu222plc有8个输入点和6个输出点，因此需要增加一个扩展模块，选用有8点输出的数字量扩展模块em222。输入点是i0.0～i0.7;输出点是q0.0～q0.5和q1.0～q1.7。分配情况见表1和表2;

3.2 控制器

系统的关键设备是plc。plc是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的电脑器件，具有极高的可靠性和稳定性。本系统选用西门子公司的s7-200系列cpu222plc作为控制核心，利用cpu222的2路独立的20khz的高速脉冲输出来控制步进电机的运动。此高速脉冲信号不能用来直接驱动步进电机，需通过步进电机驱动器将功率放大后才能起作用。5路数字量输入分别与5个传感器相连接，用来判断钻头位置，步进电机位置，工件的位置。14路数字量输出中，有6路用来控制步进电机驱动器，8路用来控制电磁阀开关。

plc本机有一个通信口，为标准rs-485接口，在plc与上位机进行通信时需将rs-485接口转换为标准rs-232接口，可以采用西门子提供的隔离型pc/ppi电缆进行转换。该电缆有拨码开关可以进行设置。在上位机上将控制软件编写好后，通过此线下载程序并监视程序的运行情况。为了降低成本，在程序调试好以后就可以不必用上位机进行操作和控制，而是用简单的操作面板即可，本系统选用的是dp210操作面板。

3.3 系统的外设

根据系统对钻孔精度的高要求，选用步进电机来控制孔的加工。步进电机可以精确到一个脉冲，在本系统中一个脉冲的精度是0.005mm。步进电机驱动器用于驱动步进电机，从而控制钻头的动作，完成钻孔。步进电机驱动器接收plc的信号，包括cp步进脉冲信号，dir方向信号，free脱机信号，经过其内部的功放电路和处理电路后输出到后面连接的两相步进电机。步进电机根据信号的变化来产生相应的动作。电磁阀直接接受来自plc的控制信号产生动作。另外，plc直接接受传感器的信号，通过内部程序的运算和逻辑判断来决定输出。

变频器用来控制主轴三相电机的转速。本系统中变频器采用基本参数运行模式，由电位器来设定运行频率，变频器的启动和停止由外部端子控制。根据不同工件的特点，通过旋转电位器来改变主轴电机的转速，外部端子的信号由plc的第12路数字量输出控制。

4、系统的软件设计

系统的软件包括人机交互界面dp210程序和系统的主控程序plc程序。dp210程序完成操作人员同plc之间的对话，主要是各个操作画面之间的相互切换和每个操作画面当中各个按键动作所对应的plc程序的控制位。程序画面要与生产现场的工作流程相适应，越是前面的画面就越是使用频率高的画面。

plc程序接收到dp210的操作信号后，按照工作要求进行整个钻孔工作的控制。主程序的流程图如图4所示。 plc主控程序中的核心控制是对步进电机的控制，启动1#步进电机的程序如图5，控制步进电机方向的程序如图6。

图4 主程序的流程图

图5 1#步进电机的程序图

图6 控制步进电机方向的程序图

5、结束语

本文所设计的系统操作简单，加工产品范围广，加工精度高，已经成功应用于生产实践当中。该钻床目前已经在某表带生产厂进行表带钻孔生产。自从开始生产以来，系统运行稳定，产品质量显著提高，废品率明显下降。同时，极大的减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。还可以用于其它精密器件的钻孔，最小孔径可达到0.5mm。